可商用量子計(jì)算機(jī)問世 短期內(nèi)仍難解決現(xiàn)實(shí)問題

量子計(jì)算機(jī)，已成為引發(fā)激烈角逐的科技前沿。而且，相關(guān)競(jìng)爭(zhēng)有愈演愈烈之勢(shì)。

最近引發(fā)強(qiáng)烈關(guān)注的，是兩大科技巨頭在此領(lǐng)域的進(jìn)展：IBM于上月宣布，將于今年10月中旬正式發(fā)布擁有53個(gè)量子比特的可商用量子計(jì)算機(jī)；隨后，谷歌研發(fā)團(tuán)隊(duì)在一篇論文中透露，已首次實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)。

與經(jīng)典計(jì)算機(jī)大不相同

據(jù)外媒報(bào)道，IBM即將發(fā)布的53個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)，將通過云端向客戶開放。

這個(gè)量子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)將成為IBM位于美國(guó)紐約州的新量子計(jì)算中心的一部分。該中心擁有5臺(tái)20個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)，并計(jì)劃于10月增加至14臺(tái)。IBM承諾，將對(duì)外開放95%的量子計(jì)算機(jī)的服務(wù)。

上世紀(jì)90年代，很多研發(fā)量子計(jì)算機(jī)的科學(xué)家，被認(rèn)為是在“騙人”。如今，量子計(jì)算機(jī)已成為炙手可熱的前沿科技領(lǐng)域，它的發(fā)展前景也被眾多科技公司看好。

那么，到底什么是量子計(jì)算機(jī)？

“量子計(jì)算機(jī)從底層到運(yùn)算模式都與經(jīng)典計(jì)算機(jī)完全不同。”中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員、固態(tài)量子信息與計(jì)算實(shí)驗(yàn)室主任范桁介紹道，量子計(jì)算機(jī)遵循量子力學(xué)原理，以量子比特為基本量子信息單元，以量子糾纏、相干疊加為特色，以解決實(shí)用和科學(xué)問題為目標(biāo)。

舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子，經(jīng)典計(jì)算機(jī)的最基本單元是由0和1組成的比特，量子比特則既可以是0，也可以是1，包含的信息量更大。

“量子計(jì)算實(shí)現(xiàn)的必要條件包括可擴(kuò)展、可初始化、長(zhǎng)相干等等。”范桁說，其中可擴(kuò)展性即增加量子比特?cái)?shù)目，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量子計(jì)算；而長(zhǎng)相干時(shí)間即量子態(tài)保持量子相干，能用于邏輯運(yùn)算。

從用途來看，量子計(jì)算機(jī)又可以劃分為專用和通用兩種類型。專用計(jì)算機(jī)可以解決特定的問題，但不適用于解決所有問題；通用量子計(jì)算機(jī)能解決的問題則更多。

在量子計(jì)算機(jī)的相關(guān)競(jìng)爭(zhēng)中，量子霸權(quán)特別受到關(guān)注。

怎么才算實(shí)現(xiàn)了量子霸權(quán)？業(yè)界通常認(rèn)為，量子霸權(quán)是指量子計(jì)算機(jī)如果在某個(gè)問題上的計(jì)算能力超過最強(qiáng)大的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，就實(shí)現(xiàn)了相對(duì)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的“霸權(quán)”。業(yè)界認(rèn)為，如能有效操縱50個(gè)左右的量子比特，就能實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)。

據(jù)外媒報(bào)道，谷歌用來實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)的量子計(jì)算機(jī)就擁有53個(gè)量子比特。

介于能否解決現(xiàn)實(shí)問題邊緣

總體而言，現(xiàn)在量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展處于什么水平？

“50個(gè)左右量子比特的量子計(jì)算機(jī)，介于能夠解決現(xiàn)實(shí)問題和不能解決現(xiàn)實(shí)問題的邊緣。”中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室韓正甫教授在接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)回答道，短時(shí)間內(nèi)，讓現(xiàn)有量子計(jì)算機(jī)去解決現(xiàn)實(shí)問題雖有難度，但并非不可能。

在韓正甫看來，量子計(jì)算機(jī)的未來發(fā)展趨勢(shì)是非常明確的：首先要把量子計(jì)算機(jī)架構(gòu)出來；接下來是增加量子比特?cái)?shù)量，提高量子比特質(zhì)量；之后，量子計(jì)算機(jī)相關(guān)應(yīng)用軟件也將成為核心競(jìng)爭(zhēng)點(diǎn)。

“量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)工作目前面臨多個(gè)核心難題。”韓正甫說。

這些難題一方面涉及保真度，即量子計(jì)算機(jī)在計(jì)算時(shí)產(chǎn)生的誤差可能有多大。誤差越大，保真度就越小。如果保真度小到一定程度，計(jì)算結(jié)果就會(huì)不可信，量子計(jì)算機(jī)也就失去了存在的意義。所以必須保證保真度達(dá)到一定水平。

另一方面是量子相干性的保持。因?yàn)榱孔佑?jì)算機(jī)在計(jì)算過程中，必須保持所有量子比特是互相糾纏的，但外部環(huán)境干擾會(huì)消磨量子的相干性。因此，必須尋找方法讓量子相干性保持時(shí)間更長(zhǎng)一些，從而在量子相干性消失之前，將計(jì)算任務(wù)執(zhí)行完。

“目前量子計(jì)算機(jī)的算法比較少，這或會(huì)影響未來量子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用前景。”范桁指出。

不過韓正甫卻給出不同觀點(diǎn)。他認(rèn)為，目前量子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域主要有兩類算法，如果量子計(jì)算機(jī)能夠成立的話，這兩類算法的應(yīng)用面已經(jīng)比較廣，并足夠讓我們解決很多問題。

“當(dāng)然，如果有更多新算法，就可以解決更多問題，那將更好。” 韓正甫說。

對(duì)于量子計(jì)算機(jī)到底會(huì)用什么材料來做，范桁介紹，科研人員仍在不斷嘗試，目前有多種可能，比如用超導(dǎo)材料、光子材料、原子材料等。無論采用哪種材料，核心原則是適于量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)行規(guī)律。

盲人摸象般探索前行

韓正甫把量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)比作“盲人摸象”。

“研發(fā)量子計(jì)算機(jī)就相當(dāng)于，把現(xiàn)在的經(jīng)典計(jì)算機(jī)從頭做起，整個(gè)再做一遍，材料、硬件、軟件、算法等所有環(huán)節(jié)都要重新考慮。”韓正甫解釋道，與此同時(shí)，沒有任何案例可以借鑒，誰(shuí)也不知道如何做才能成功，所以各個(gè)研發(fā)團(tuán)隊(duì)只能探索著往前走。

更不要說，研發(fā)過程中還會(huì)受到量子性質(zhì)的種種限制，以及各種現(xiàn)實(shí)研發(fā)條件的限制。

盡管如此，量子計(jì)算機(jī)誘人的應(yīng)用前景，仍令人垂涎。

“未來，量子計(jì)算機(jī)在人工智能、大數(shù)據(jù)處理、信息搜索、生物制藥、物流優(yōu)化等領(lǐng)域都可以發(fā)揮重要作用。”范桁說，以生物制藥領(lǐng)域?yàn)槔孔佑?jì)算機(jī)能更好地模擬生物反應(yīng)所涉及的量子過程。

多位業(yè)內(nèi)人士告訴科技日?qǐng)?bào)記者，目前國(guó)外的谷歌、IBM、Deep-Wave等公司正在大力研發(fā)量子計(jì)算機(jī)，國(guó)內(nèi)的阿里巴巴、騰訊、華為等企業(yè)也成立了量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)。

從國(guó)家層面來看，量子信息技術(shù)也受到前所未有的重視。

2018年，美國(guó)國(guó)會(huì)通過了“國(guó)家量子倡議法案”。依據(jù)該法案，美國(guó)將實(shí)施國(guó)家量子倡議項(xiàng)目，目標(biāo)是在未來10年加速發(fā)展量子信息科學(xué)及其技術(shù)應(yīng)用。該法案規(guī)定，美國(guó)總統(tǒng)必須成立國(guó)家量子倡議咨詢委員會(huì)，以掌握國(guó)家量子倡議項(xiàng)目以及量子信息科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的進(jìn)展。

歐盟委員會(huì)則在2018年宣布了“量子旗艦計(jì)劃”，預(yù)計(jì)今后10年在量子研發(fā)領(lǐng)域投入10億歐元。該計(jì)劃的目標(biāo)之一是鞏固和擴(kuò)大歐洲在量子技術(shù)研發(fā)領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。

中國(guó)也對(duì)量子通信和量子計(jì)算機(jī)的技術(shù)研發(fā)十分重視。其中量子通信和量子計(jì)算機(jī)已被列入“科技創(chuàng)新2030—重大項(xiàng)目”。據(jù)相關(guān)報(bào)道，量子信息科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)工作也正在推進(jìn)。

“如果今后50年是量子計(jì)算機(jī)的時(shí)代，而在量子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域沒有相關(guān)核心技術(shù)的話，肯定將會(huì)受制于人，因此這個(gè)領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)是誰(shuí)也輸不起的。”范桁說。（記者 劉園園）